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    为倡导低碳健康便捷的交通方式，近年来国际国内各大城市设置了公共自行车。公共自行车就是在某个区域内，隔一定距离规划出一些自行车租赁点如地铁站口、公交车站点、社区大门口等。一个租赁点放置30辆左右，那么一个城市就会象公交车站点和地铁站点一样，有很多自行车租赁点，通过公共自行车管理系统来管理这些租赁点的自行车。即用户申请租车IC卡（卡中包含用户ID信息），借车时刷卡，读卡器将租赁点ID及用户身份ID发送至系统服务器，服务器通过身份验证后控制该租赁点打开某一自行车锁止器（包含自行车ID），在该自行车停放点RFID读头扫描自行车ID为空（自行车被提走）时，将该用户ID及自行车ID绑定并存入系统服务器；还车时将自行车锁止器自动锁住，停放点RFID读头读取该自行车ID并传送到服务器，服务器根据该ID查找用户ID，并从该用户IC卡中实现扣款功能。目前，国内大部分公共自行车系统由传统RS-485总线组建，由于该总线本身存在的许多局限性，如效率低、系统的实时性差、通讯的可靠性低、后期维护成本高、网络工程调试复杂、传输距离不理想、单总线可挂接的节点少、应用不灵活等缺点慢慢地暴露出来。现在比较先进的以太网技术及无线技术成本较高且受天气等环境因数影响较大，因此考虑将CAN总线应用于公共自行车管理系统。  

    CAN总线（ControllerAreaNetwork）即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN协议由德国的RobertBosch公司开发，起先，被设计作为汽车环境中的微控制器通信，在车载电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络以此取代昂贵而笨重的配电线束。CAN总线是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10Km时，CAN总线仍可提供高达5Kbps的数据传输速率。作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式，CAN总线已被广泛应用到各个自动化控制系统中。从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN总线。例如，在汽车电子、自动控制、智能大厦、电力系统、安防监控等各领域，CAN总线都具有不可比拟的优越性。

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一、CAN总线简介  

（一）CAN总线原理  

    CAN总线使用串行数据传输方式，当CAN总线上的一个节点发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。每个节点对所有数据进行接收。每组报文开头的11位字符为标识符，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的，不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。采用非破坏性总线裁决技术，当两个节点同时向网络上发送信息时，优先级低的停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传送数据。当一个站要向其它站发送数据时，该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片，并处于准备状态；当它收到总线分配时，转为发送报文状态。CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时网上的其它站处于接收状态。每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。由于CAN总线是一种面向内容的编址方案，因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。我们可以很容易地在CAN总线中加进一些新节点，而不需要在硬件或软件上进行修改。  

（二）CAN报文种类  

在原始数据段的前面加上传输起始标签，片选（识别）标签、控制标签，在数据的尾段加上CRC校验标签、应答标签和传输结束标签。把这些内容按特定的格式打包好，就可以用一个通道表达各种信号了，各种各样的标签就如同SPI中各种通道上的信号，起到了协同传输的作用。当整个数据包被传输到其他设备时，只要这些设备按格式去解读，就能还原出原始数据。类似这样的数据包就被称为CAN的数据帧。为了更有效地控制通信，CAN一共规定了5种类型的帧，帧也称为报文，其类型及用途说明见表1。其中数据帧是CAN中最主要，最复杂的报文，其结构如图1所示。

 

二、简单可靠的TinyCAN应用协议  

    从OSI模型来看，现场总线网络一般由于规定物理层、数据链路层和应用层的协议，但CAN总线只定义了物理层和数据链路层的格式，而没有规定应用层，在基于CAN总线的分布式系统中，有必要建立CAN总线应用层协议来实现统一的通信模式，完成网络管理功能以及提供设备功能描述方式。目前已经有一些可供使用的应用层协议，如DeviceNet协议和CANOpen协议。DeviceNet协议适用于自动化工业控制，CANOpen协议适用于产品部件内部的嵌入式网络，在汽车、电梯、医疗仪器以及船舶运输等领域均有广泛应用。但DeviceNet协议和CANOpen协议规范比较复杂，理解和开发难度较大。对于一些并不复杂的CAN总线的控制网络不太适合，本文设计出简单可靠的TinyCAN应用协议。TinyCAN应用层分组协议，使用CAN2.0中扩展格式帧，简洁可适用于更多情景，最长支持256*7字节数据。该协议对仲裁段定义和数据段进行了定义。如表2所示，29bit仲裁段中前3bit设定优先级，其中二进制000表示优先帧；001表示普通帧；010表示协作帧；011表示应答ACK，数字越小优先级越高，000的优先级最高。分段控制占2bit，其中00表示数据不超过7Byte，本帧完整；01表示数据超过7Byte，本帧为连续分段中的第一帧；10表示本帧为连续分段中的中间帧；11表示本帧为连续分段中的尾帧。紧接着8bit表示总帧数，用于指示连续报文的总帧数，当分段控制00时本段置为0x01；当分段控制为其他时，显示总帧数。最后源地址和目的地址各占8bit，均为CAN网络中的唯一标识符，源地址中0X00表示不使用，目的地址中0xFF表示广播。数据段共64bit，前8bit表示分段序号表示当前数据帧序号，从0x00开始，连续数据每帧增1，最多允许256帧；如：地址段总帧数0x0A，本段0x00表示总共10帧，当前为头帧；地址段总帧数0x0A，本段0x05表示总共10帧，当前为第5帧；地址段总帧数0x0A，本段0x09表示总共10帧，当前为尾帧，后56bit表示数据块。

 

（四）公共自行车管理系统终端协议  

    TinyCAN应用协议正好适用于公共自行车管理系统，需对其仲裁段和数据段具体细化。报文交互使用统一的全状态报文。CAN报文自带包头、CRC校验和包尾，该报文需要4个CAN帧完成发送。全状态报文共28Byte，字段分为协议版本（1Byte）、软件版本（1Byte）、硬件版本（1Byte）、命令字（1Byte）、操作状态字（1Byte）、STM32芯片ID（12Byte）、用户卡ID（4Byte）、自行车卡ID（4Byte）、蜂鸣器/用户LED状（1Byte）、电控锁状态/车位指示LED（1Byte）及保留字段（1Byte）。[3]其中命令字段中从高到低bit7。设为1表示使能命令字，设为0表示其它命令报文；bit6.STM32芯片ID；bit5.用户卡ID；bit4.自行车卡ID；bit3.蜂鸣器；bit2.LED灯；bit1.电控锁；bit0.车位灯；高4bit相关位数设为1表示查询该数据，设为0表示无需该数据；低4bit相关位数设为1表示设置该接口，设为0表示不操作该接口；如101011002表示查询自行车卡ID/设置蜂鸣器和LED灯。其它命令报文：0x41表示用户卡刷卡事件；0x42表示自行车卡刷卡事件；0x01表示上线注册/心跳事件；0x71表示借车事件；0x72表示还车事件；0x7F表示重启节点。蜂鸣器/用户LED状态中高4bit表示蜂鸣器状态：0000表示不响；0001表示响；0101表示急促短响；1001表示长间隔响；其余留待扩展，低4bit标识LED状态：0000表示不亮；低2bit标示颜色：01表示红色亮；10表示绿色亮；高2bit表示闪烁方式：002不闪烁；012表示急促闪；102表示长间隔闪；其它留待扩展。电控锁状态/车位指示LED字段中高4bit表示电控锁状态，00002表示开锁，00012表示  锁止，其余留待扩展。根据公共自行车管理系统的具体应用，全状态报文需要细化成各种功能报文，如节点到终端的上线注册/心跳报文、上线注册应答报文、指令报文、指令应答报文、用户卡刷卡报文、自行车卡刷卡报文、节点重启报文、节点使能报文及节点禁止报文等。CAN总线以其技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的优点被广泛应用于各种远程网络通讯控制系统。能够根据需要自行定制通信协议是总线CAN灵活性的体现，但同时也增加了开发者的工作量。本文设计出简易可靠的TinyCAN应用协议，为用户设计控制系统提供了参考；本文还将TinyCAN应用协议应用于公共自行车管理系统，设计公共自行车管理系统CAN总线应用协议，为建造公共自行车管理系统提供了基础。  

    沈阳广成科技有限公司成立于2010年5月，是一家科技型企业，公司主要从事工业通信设备的设计研发、生产、销售，公司产品包括CAN总线分析仪、ECU下载器、通信适配器、工业网桥/网关、远程IO等工业通信软件和硬件,拥有独立研发的嵌入式和应用型软件；公司已为多家汽车电子公司、工程机械公司、自动化公司提供产品及服务，涉及到交通、电力、能源、医疗器械、船舶、军工等多个行业，技术成熟经验丰富，公司秉承“以人为本，与时俱进，诚信经营，双赢发展”的经营理念，为客户提供性能卓越的产品，成熟可靠的技术，完善高效的服务。

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